ณ ที่ดวงตะวันฉายแสง เราจะเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ให้มากขึ้นได้อย่างไร?

พลังงานที่เราใช้ในชีวิตประจำวันมาจากไหน?

หากพูดถึงพลังงานที่มนุษย์เราใช้ในการเคลื่อนไหวร่างกาย

แน่นอนว่ามาจากอาหารที่เรากินเข้าไป ทั้งเนื้อสัตว์และพืช แต่เมื่อสืบสาวแหล่งพลังงานของสัตว์ทุกชนิดไปจนสุดทางจะพบว่า มาจากพืชหรือสาหร่าย ซึ่งพืชและสาหร่ายทุกชนิดล้วนใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์มาใช้ในการสร้างอาหารเก็บสะสมไว้ในตัวเอง

สรุปได้ว่าพลังงานที่แผ่ออกจากดวงอาทิตย์นั้นกลายมาเป็นพลังงานในร่างกายของสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิดบนโลกนับตั้งแต่สมัยดึกดำบรรพ์

ไม่เพียงเท่านั้น ซากพืชซากสัตว์จำนวนมากในสมัยดึกดำบรรพ์นี้เองเมื่อทับถมนานเข้าก็กลายเป็นน้ำมัน ถ่านหิน และแก๊สธรรมชาติ ที่มนุษย์เราขุดมาขับเคลื่อนโลก

ไฟฟ้าที่ประเทศไทยเราใช้งานกว่าร้อยละ 80 มาจากการนำแก๊สธรรมชาติและถ่านหินมาเผาเพื่อให้ปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมาใช้ต้มน้ำ แล้วนำไอน้ำไปขับดันกังหันเพื่อปั่นไฟฟ้าอีกที

อาจกล่าวได้ว่าไฟฟ้าเหล่านี้คือพลังแสงอาทิตย์ในยุคดึกดำบรรพ์ที่สะสมไว้ภายในแก๊สธรรมชาติและถ่านหิน

ส่วนการใช้น้ำจากเขื่อนมาผลิตไฟฟ้านั้นเป็นสัดส่วนประมาณร้อยละ 3 หลักการผลิตไฟฟ้าด้วยเขื่อนนั้นเรียบง่าย นั่นคือให้น้ำในเขื่อนไหลจากที่สูงลงมาสู่ที่ต่ำเพื่อปั่นกังหัน ซึ่งดวงอาทิตย์ทำหน้าที่ยกน้ำขึ้นไปบนเขื่อน

ความร้อนจากแสงอาทิตย์ทำให้น้ำจากแหล่งน้ำทั่วโลกระเหยแล้วลอยสูงขึ้นไปกลายเป็นเมฆ แล้วเมฆก็กลายเป็นฝนตกลงมาแล้วไหลเข้าสู่เขื่อน

กล่าวได้ว่าพลังงาน ‘แทบ’ ทุกอย่างที่อยู่รอบตัวเราล้วนมีต้นกำเนิดมาจากดวงอาทิตย์

จึงไม่น่าแปลกใจที่มนุษย์เรามุ่งหวังจะสร้างเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อตักตวงพลังงานจากแสงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพราะน้ำมัน ถ่านหิน และแก๊สธรรมชาติย่อมมีวันหมดลงในอนาคต

หนึ่งในทางออกสำคัญที่เรารู้จักกันดีคือ โซลาร์เซลล์

แต่โซลาร์เซลล์แบบซิลิคอนซึ่งเป็นแบบที่ฮิตที่สุดที่ขายกันในท้องตลาดนั้นมีประสิทธิภาพมากที่สุดก็ราวๆ 20% เท่านั้น ส่วนโซลาร์เซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในห้องปฏิบัติการคือ โซลาร์เซลล์แบบหลายชั้น (multi-junction solar cell) ซึ่งยิ่งมีหลายชั้นก็ยิ่งเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพ นักฟิสิกส์สามารถสร้างโซลาร์เซลล์แบบ 4 ชั้นให้มีประสิทธิภาพถึง 44.7% ได้ในห้องทดลอง แต่มันย่อมแลกมาด้วยความซับซ้อนและยุ่งยากในการผลิต

ปัญหาของโซลาร์เซลล์นอกจากจะเป็นเรื่องของประสิทธิภาพที่ (ยัง) ต่ำแล้ว ไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้จำกัดในหลายๆ สถานการณ์ ยานยนต์อย่างเครื่องบินนั้นแม้จะมีรุ่นที่ใช้ไฟฟ้าเต็มร้อยได้แล้ว แต่ก็ยังเป็นเครื่องบินขนาดเล็ก

อีกหนทางในการดึงพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้อาจมุ่งไปที่เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

กล่าวคือ หากเรามีแก๊สไฮโดรเจนมากพอ แล้วจัดการเผาอย่างเป็นระบบร่วมกับออกซิเจน (หรือเผาให้มันมอดไหม้ไปกับแก๊สออกซิเจนในอากาศอย่างเหมาะสม) จะเกิดการคายพลังงานออกมา โดยมีน้ำบริสุทธิ์เป็นของเสียที่เกิดขึ้น

ด้วยวิธีนี้เราไม่จำเป็นต้องไปยุ่งกับน้ำมันให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์เลย แต่ปัญหาใหญ่ของวิธีนี้คือ เราจะไปหาแก๊สไฮโดรเจนมาจากไหน?

ราวๆ ค.ศ. 1789-1790 Johann Rudolph Deiman แพทย์ชาวดัตช์ และ Adriaan Paets van Troostwijk เพื่อนผู้เป็นพ่อค้าได้ตีพิมพ์เผยแพร่การทดลองแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า

แก๊สที่ได้จากการแยกน้ำ แน่นอนว่าเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน

กระบวนการนี้กลายเป็นการทดลองเคมีที่เด็กมัธยมสายวิทย์ทุกคนต้องเรียน แต่น่าเสียดายที่เราใช้วิธีนี้ในการสร้างเชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ได้ เพราะสุดท้ายแหล่งพลังงานที่ใช้สร้างกระแสไฟฟ้าในตอนนี้ก็มาจากถ่านหินหรือแก๊สธรรมชาติอยู่ดี

นักวิทยาศาสตร์บางส่วนจึงมองไปที่พืช

ในการสังเคราะห์แสงของพืชนั้น พืชจะแยกน้ำโดยดูดซึมมาจากรากออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน แล้วคายออกซิเจนทิ้งไป ส่วนไฮโดรเจนจะถูกส่งผ่านไปยังกระบวนการอื่นๆ ต่อไป

แนวทางหนึ่งของการสร้างเชื้อเพลิงไฮโดรเจนคือ การสร้างใบไม้เทียม (artificial leaf)  เพื่อแยกน้ำออกเป็นแก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจนให้ได้

ครั้งหน้าจะเล่าเรื่องใบไม้เทียมซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่หลายคนอาจไม่เคยได้ยินมาก่อนให้ฟังครับ

อ้างอิง

news.energysage.com
www.pveducation.org
onlinelibrary.wiley.com
www.nature.com
www.elsevier.com